本文關(guān)鍵詞：轉(zhuǎn)子式微陀螺的開關(guān)電容檢測電路設(shè)計，，由筆耕文化傳播整理發(fā)布。

【摘要】：隨著微機電系統(tǒng)(MEMS)的發(fā)展,作為微機電系統(tǒng)的一個主要產(chǎn)品分支——陀螺儀逐漸被大家所熟知。由于陀螺儀可以廣泛的應(yīng)用在軍事、民事領(lǐng)域當(dāng)中,人們對于它的精度要求也越來越苛刻。傳統(tǒng)的磁懸浮轉(zhuǎn)子式微陀螺、靜電懸浮式陀螺因其精度不夠高、渦流效應(yīng)產(chǎn)生發(fā)熱問題、加工成本高、靜電支撐所需電壓過高等缺點而不再成為主流。哈爾濱工業(yè)大學(xué)MEMS中心提出了一種全新的球-碟轉(zhuǎn)子式微陀螺結(jié)構(gòu),可以有效的避免上述問題。完整的微陀螺系統(tǒng)是由機械和電學(xué)兩部分共同組成,機械部分是指陀螺的表頭部分,電學(xué)部分主要就是檢測電路部分。本論文基于哈工大MEMS中心提出的全新陀螺結(jié)構(gòu),進行了檢測電路的分析和設(shè)計,通過檢測結(jié)構(gòu)部分等效電容的微弱變化,轉(zhuǎn)換為電信號再經(jīng)模數(shù)轉(zhuǎn)換電路實現(xiàn)數(shù)字輸出。本論文首先對球-碟轉(zhuǎn)子式微陀螺的工作原理、檢測原理、檢測方式進行了分析,通過對比各種檢測方式來設(shè)計選擇合適的電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。所設(shè)計的檢測電路主要由兩部分構(gòu)成,前級的開關(guān)電容檢測電路和模數(shù)轉(zhuǎn)換電路,本文設(shè)計的前級開關(guān)電容檢測電路模塊部分主要包括電荷敏感放大器、次級放大器、相關(guān)雙采樣電路、低通濾波電路。通過仿真可以得到相對電容分辨率為5.12x10-8,非線性在100ppm左右,標(biāo)度因子為39.86mV/ff,標(biāo)度因子溫度系數(shù)為92.08ppm/C。并采用了一個三階單環(huán)一位量化調(diào)制器將前級檢測電路的模擬輸出進行數(shù)字化轉(zhuǎn)換。調(diào)制器采用全差分開關(guān)電容電路的方式實現(xiàn),采樣時鐘頻率是100KHz,對調(diào)制器的各個模塊進行分析和設(shè)計,主要的模塊有積分器運算放大器、鎖存器、比較器、時鐘產(chǎn)生電路。調(diào)制器的輸入信號帶寬為30Hz,輸入信號頻率為16Hz,幅度為-8dBFS,信噪比為99dB,1Hz動態(tài)范圍約為120dB,整體電路功耗為11.856mW。然后對整體開關(guān)電容檢測電路進行版圖繪制和后仿真,可以得到標(biāo)度因子溫度系數(shù)為95.12ppm/C,非線性可以達(dá)到200ppm左右,相對電容分辨率為5.89x10-8。調(diào)制器與前仿真條件相同,信噪比為95dB,1Hz動態(tài)范圍為120dB。
【關(guān)鍵詞】：轉(zhuǎn)子式微陀螺 開關(guān)電容 相對電容分辨率 調(diào)制器
【學(xué)位授予單位】：哈爾濱工業(yè)大學(xué)
【學(xué)位級別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2016
【分類號】：TN96;TH-39
【目錄】：

• 摘要4-5
• Abstract5-10
• 第1章 緒論10-19
• 1.1 課題背景10
• 1.2 國內(nèi)外研究現(xiàn)狀10-13
• 1.2.1 磁懸浮轉(zhuǎn)子式微陀螺研究現(xiàn)狀10-12
• 1.2.2 靜電懸浮轉(zhuǎn)子式微陀螺研究現(xiàn)狀12-13
• 1.3 電容檢測技術(shù)研究現(xiàn)狀13-17
• 1.4 研究的目的和意義17-18
• 1.5 主要研究內(nèi)容18-19
• 第2章 轉(zhuǎn)子式微陀螺理論基礎(chǔ)19-31
• 2.1 球-碟轉(zhuǎn)子式陀螺的工作原理19-20
• 2.2 轉(zhuǎn)子式微陀螺的電容檢測原理20-21
• 2.3 轉(zhuǎn)子式微陀螺的微弱信號檢測方法21-23
• 2.3.1 相關(guān)雙采樣技術(shù)22-23
• 2.4 整體開關(guān)電容檢測電路結(jié)構(gòu)設(shè)計23-24
• 2.5 Sigma-delta調(diào)制原理24-29
• 2.5.1 過采樣24-26
• 2.5.2 噪聲整形26
• 2.5.3 一階調(diào)制器26-28
• 2.5.4 二階調(diào)制器28-29
• 2.6 調(diào)制器結(jié)構(gòu)的選擇29-30
• 2.6.1 前饋結(jié)構(gòu)29
• 2.6.2 反饋結(jié)構(gòu)29-30
• 2.7 本章小結(jié)30-31
• 第3章 開關(guān)電容檢測電路的非理想特性分析31-41
• 3.1 開關(guān)電容檢測電路的噪聲分析31-33
• 3.1.1 運算放大器噪聲31-32
• 3.1.2 參考電壓噪聲32
• 3.1.3 積分噪聲32-33
• 3.2 開關(guān)電容電路的非理想特性33-36
• 3.2.1 溝道電荷注入33-34
• 3.2.2 時鐘饋通效應(yīng)34-35
• 3.2.3 消除或減少電荷注入和時鐘饋通的方法35-36
• 3.3 電容失配現(xiàn)象36-37
• 3.4 開關(guān)的有限電阻37-38
• 3.5 積分器泄露38-40
• 3.6 本章小結(jié)40-41
• 第4章 整體開關(guān)電容檢測電路的設(shè)計與分析41-58
• 4.1 前級開關(guān)電容檢測電路設(shè)計41-47
• 4.1.1 電荷檢測運算放大器的設(shè)計41-44
• 4.1.2 相關(guān)雙采樣電路的設(shè)計44
• 4.1.3 二級低通濾波器的設(shè)計44-45
• 4.1.4 前級開關(guān)電容檢測電路整體仿真45-47
• 4.2 調(diào)制器電路的設(shè)計47-57
• 4.2.1 調(diào)制器系統(tǒng)級設(shè)計48-49
• 4.2.2 運放的分析和選擇49-51
• 4.2.3 積分器運算放大器的設(shè)計51-53
• 4.2.4 共模反饋電路53-54
• 4.2.5 偏置電路54
• 4.2.6 調(diào)制器時鐘產(chǎn)生電路54-55
• 4.2.7 一位量化器55-56
• 4.2.8 調(diào)制器電路整體仿真結(jié)果56-57
• 4.3 本章小結(jié)57-58
• 第5章 整體開關(guān)電容檢測電路的版圖設(shè)計與后仿真58-62
• 5.1 版圖設(shè)計規(guī)則58
• 5.2 前級開關(guān)電容檢測電路版圖設(shè)計與后仿真58-59
• 5.3 調(diào)制器版圖設(shè)計與后仿真59-61
• 5.4 本章小結(jié)61-62
• 結(jié)論62-63
• 參考文獻(xiàn)63-70
• 致謝70

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10 楊e

本文編號：430532